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Versagen von Thermoplasten
Teil 2 – Materialmodellierung und Simulation A. Fertschej, P. Reithofer, M. Rollant (4a engineering GmbH)
DYNAFORUM 2014
Bamberg
Seite: 1 / 21
Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
4a engineering GmbH
Industriepark 1
A-8772 Traboch
++43 (0) 664 80106 601
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unv. Thermoplaste (PA6, PBT, PE, PP, PC, ABS …) *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY
Materialcharakterisierung / Reverse Engineering
4a Impetus© by 4a engineering GmbH - intelligent testing systems
FE-Model of the
test
Parameterized
Materialcard
Reverse Engineering
LS DYNA, ABAQUS,
PAM CRASH, …
DATABASE
measurement, models
Hyperview, Animator,
LS PREPOST, …
4a impetus © by 4a engineering GmbH - intelligent testing systems
Einleitung Einsatzbereich 4a impetus
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
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Einleitung Reverse Engineering, *MAT_24
Für das isotrop elastisch viskoplastische Materialmodell (*MAT_24 in
LSDYNA) wurden für die durchgeführten statischen und dynamischen 3-
Punkt-Biegeversuche mit der Methode des Reverse Engineerings ein
dehnratenabhängiges Materialmodell bestimmt. Die Optimierung kann das
mechanische Verhalten sehr gut reproduzieren.
v, mp
normierte Dehnung
norm
iert
e S
pannung
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
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˗˗˗ Simulation
··· Mittelwertkurve aus Versuche
normierter Weg
no
rmie
rte
Kra
ft
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Einleitung Validierung gespannte 3-Punkt-Biegung, *MAT_24
Für den Lastfall gespannte Biegung liefert die Simulation im
zugdominanten Bereich ein steiferes Verhalten. In diesem Bereich
stößt das verwendete Materialmodell an seine Grenzen.
normierter Weg
no
rmie
rte
Kra
ft
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
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˗˗˗ Simulation
··· Mittelwertkurve aus Versuche
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Verfügbare Materialmodelle für Thermoplaste Schnittstellenstand in 4a impetus V3.2
Aktuell für LS-DYNA implementiert
MAT_19: *MAT_STRAIN_RATE_DEPENDENT_PLASTICITY von Mises
MAT_24: *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY von Mises
MAT_124: *MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION Drucker Prager
MAT_187: *MAT_SAMP-1 Allg. Fließfläche
Alle LS-DYNA Materialkarten über benutzerdefinierte Schnittstellen verfügbar
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
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1. Schritt: Die Dehnratenabhängigkeit wird aus den Biegeversuchen
bestimmt im *MAT_24 durchgeführt
2. Schritt: Zug-/Druck-/Schubkurven werden dehnratenbereinigt
Anpassung komplexe Fließfläche Anpassung *MAT_SAMP-1
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Datum: 141008
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normierte Dehnung
no
rmie
rte
wa
hre
Sp
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nu
ng
no
rmie
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De
hn
rate
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Anpassung komplexe Fließfläche Anpassung *MAT_SAMP-1
2. Schritt: Zug-/Druck-/Schubkurven werden dehnratenbereinigt
(Dehnratenabhängigkeit wurde über den Johnson-Cook-Ansatz
bestimmt)
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Datum: 141008
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normierte wahre plastische Dehnung
no
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Anpassung komplexe Fließfläche Anpassung *MAT_SAMP-1
2. Schritt: Vergleich Zug/Schub/Druck
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
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Sp
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nu
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normierte wahre plastische Dehnung
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Anpassung komplexe Fließfläche Anpassung *MAT_SAMP-1
3. Schritt: Fließfläche
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[1] LS-DYNA© KEYWORD USER'S MANUAL - VOLUME II - Material Models
[1]
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Anpassung komplexe Fließfläche Validierung Biegeversuche, *MAT_SAMP-1
Mit dem komplexen Materialmodell lassen sich die Biegeversuche
sehr gut simulieren. Das Versagen wurde noch nicht berücksichtigt.
normierter Weg
no
rmie
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Kra
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0.1 mm/s
1 m/s
2.5 m/s
4 m/s
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˗˗˗ Simulation
··· Mittelwertkurve aus Versuche
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Anpassung komplexe Fließfläche Validierung Zug, T-Probe und gespannte Biegung, *MAT_SAMP-1
Auch der Zugversuch, die T-Probe und die gespannte Biegung
werden gut getroffen. Wiederum wurde das Versagen nicht
berücksichtigt.
normierter Weg
no
rmie
rte
Kra
ft
Zugversuch
T-Probe 2 m/s
Gespannte Biegung 4 m/s
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
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˗˗˗ Simulation
··· Mittelwertkurve aus Versuche
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Plastische Vergleichsdehnung
z.B. MAT_24: *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY
Plastische Vergleichsdehnung mit Schädigung
z.B. MAT_81: *MAT_PLASTICITY_WITH_DAMAGE
Dehnratenabhängiges Vergleichskriterium
z.B. MAT_19: *MAT_STRAIN_RATE_DEPENDENT_PLASTICITY
oder MAT_124: *MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION
Vergleichskriterium in Abhängigkeit der Mehrachsigkeit, …
z.B. MAT_187: *MAT_SAMP-1
Alternativ bietet die zusätzliche Option *MAT_ADD_EROSION in
Kombination mit einer Materialkarte eine Vielzahl an möglichen
Schädigungs- und Versagensmodellierungen.
Möglichkeiten der Versagensabbildung Verfügbare Versagens- bzw. Schädigungsmodelle in LS-DYNA
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
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Pla
sti
sch
e D
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nu
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Zu einer vorhandenen Materialkarte z.B. *MAT_187 wird
eine zusätzliche Karte *MAT_ADD_EROSION hinzugefügt:
*MAT_ADD_EROSION
$ MID EXCL MXPRES MNEPS EFFEPS VOLEPS NUMFIP NCS
1000000
$ MNPRES SIGP1 SIGVM MXEPS EPSSH SIGTH IMPULSE FAILTM
$ IDAM DMGTYP LCSDG ECRIT DMGEXP DCRIT FADEXP LCREGD
-1 1
$ DITYP P1 P2
0 100005 0
$ DETYP DCTYP Q1
1 0.1
$===========================================
*DEFINE_CURVE
$ P1
$ lcid sidr scla sclo offa offo dattyp
100005 0 1.0 1.0
$ x y
-1.000000 1.0000000000
0.000000 0.0400000000
0.330000 0.0600000000
0.660000 0.0800000000
1.000000 0.1000000000
Gleiche ID wie in *MAT_187
1 Damage Initiierungs- und
Entwicklungs-Kriterium (DIEM)
Alternative Möglichkeit: GISSMO
Duktile Damage Initiierung
Weitere Möglichkeiten: Schub-
und Instabilitätskriterium
Damage Initiierungs-
Parameter:
Mehrachsigkeit vs. plast.
Dehnung
Möglichkeiten der Versagensabbildung Benutzerdefinierte Materialkarte / *MAT_ADD_EROSION
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
Damage Entwicklungs-
Parameter
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Das Versagen kann auch dehnratenabhängig gemacht werden:
*DEFINE_TABLE
$# tbid
100005
$# value lcid
0.001 1000011
100 1000012
*DEFINE_CURVE
$ lcid sidr scla sclo offa offo dattyp
1000011 0 1.0 1.0
$ x y
-1.000000 1.0000000000
0.000000 0.0400000000
0.330000 0.0600000000
0.660000 0.0800000000
1.000000 0.1000000000
$=========================================
*DEFINE_CURVE
$ lcid sidr scla sclo offa offo dattyp
1000012 0 1.0 1.0
$ x y
-1.000000 1.0000000000
0.000000 0.0200000000
0.330000 0.0400000000
0.660000 0.0600000000
1.000000 0.0800000000
Dehnraten
Möglichkeiten der Versagensabbildung Benutzerdefinierte Materialkarte / *MAT_ADD_EROSION
Seite: 14 / 21
Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
Pla
sti
sch
e D
eh
nu
ng
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DIEM: Damage Initiation and Evolution Model [1]
Basis: Standard Material Modell (z.B. *MAT_187)
3 individuelle Kriterien können eingesetzt werden:
Duktiles Kriterium:
Schub Kriterium
Instabilitätskriterium
Nach Initiierung erfolgt Schädigungsentwicklung:
),( pP
D
P
D
),( pP
D
P
D
),( pP
D
P
D
P
P
D
P
D
d
0
P
major
P
or
min
P
D
P
D
max
:)1( epCD
Anpassung *MAT_ADD_EROSION DIEM-Modell
Seite: 15 / 21
Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
[1] LS-DYNA© KEYWORD USER'S MANUAL - VOLUME II - Material Models
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Anpassung *MAT_ADD_EROSION DIEM-Modell
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
Ermittlung der Versagensdehnungen
Pla
sti
sc
he
De
hn
un
g
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Validierung * MAT_SAMP-1 mit *MAT_ADD_EROSION
3-Punkt-Biegung, 4 m/s, ungefiltert
Die Versuchskurven werden sehr gut abgebildet.
no
rmie
rte
Kra
ft
normierter Weg
Bunt: Versuchskurven
Schwarz: Simulation
Seite: 17 / 21
Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
˗˗˗ Simulation
··· Mittelwertkurve aus Versuche
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no
rmie
rte
Kra
ft
normierter Weg
Dynamischer Durchstoßversuch
Die Versuchskurven werden sehr gut abgebildet.
Bunt: Versuchskurven
Schwarz: Simulation
Validierung * MAT_SAMP-1 mit *MAT_ADD_EROSION
Seite: 18 / 21
Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
˗˗˗ Simulation
··· Mittelwertkurve aus Versuche
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0
300
600
900
1,200
1,500
0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007K
raft
[N
]Zeit [s]
Kraft [N] DSP06
Kraft [N] DSP07
Kraft [N] DSP08
Kraft [N] DSP09
Kraft [N] DSP10
Simulation
Normierter Weg
N
orm
iert
e K
raft
Dynamischer Durchstoßversuch am Bauteil
Die Versuchskurven werden sehr gut abgebildet.
Validierung * MAT_SAMP-1 mit *MAT_ADD_EROSION
Seite: 19 / 21
Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
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Zusammenfassung
Mit statischen und dynamischen Biegeversuchen lassen sich einfache
Materialkarten (*MAT_24) sinnvoll für die Simulationspraxis erstellen.
Bei einer Zug-/Druckabhängigkeit stößt das einfache Materialmodell
schnell an seine Grenzen, komplexere Materialmodelle (z.B.
*MAT_SAMP-1) sind gefordert.
Zusätzliche Versuche (Zug-, Schub-, Druckversuche, …) für z.B.
*MAT_SAMP-1 können in 4a impetus importiert und der
Materialcharakterisierung und -modellierung zugeführt werden.
Durch Integration eines Versagens- und Schädigungsmodells
(*MAT_ADD_EROSION) konnte der verwendete Kunststoff sehr
realitätsnah und bestmöglich abgebildet werden
Die Versagensabbildung durch unterschiedliche Versagensmodelle wird
momentan in 4a impetus erweitert.
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt
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Der findet vom 5.- 6. März 2015 in Schladming zum insgesamt 12. Mal statt.
Das Thema heuer lautet „Leichtbau und Composites“.
Nähere Informationen sind demnächst auf der Homepage http://technologietag.4a.co.at/
verfügbar.
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Autor: Peter Reithofer, Michael Rollant, Artur Fertschej
Datum: 141008
Titel: rep_14100801_pr_mr_afer_gga_DYNAFORUM14VersagenTeil2.ppt